(57)【要約】【課題】  主ビームと副ビームを前駆体半導体薄膜に照射して結晶質薄膜を製造する方法において、結晶質薄膜の単結晶化領域を拡大するとともに、その生産性を向上させる。【解決手段】  主ビームと副ビームを時間的・空間的に重ねて前駆体半導体薄膜に照射して結晶質薄膜を製造する方法であって、主ビームと副ビームを重ねて照射するに先立って、副ビームを少なくとも１回照射する第一の工程と、主ビームと副ビームを重ねて照射する第二工程とを含み、第二工程における主ビームの照射は、副ビームの照射終了の直前に行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前駆体半導体薄膜に吸収される主パルスレーザと前記前駆体半導体薄膜の下の層に吸収される副パルスレーザを時間的・空間的に重ね合わせて前記前駆体半導体薄膜に照射して多結晶半導体薄膜を製造する方法であって、前記主レーザ光照射に先立って、前記副パルスレーザを少なくとも１回照射することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前駆体半導体薄膜とレーザビームとを相対的に移動させながら主パルスレーザと副パルスレーザを前記前駆体半導体薄膜に照射して多結晶半導体薄膜を製造する方法であって、前記主パルスレーザは、前記副パルスレーザが少なくとも１回照射された領域に照射されることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記主パルスレーザは、前記副パルスレーザの照射完了直前に照射されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記主パルスレーザと前記副パルスレーザを重ねて照射する際に、主レーザの発振トリガパルスから主レーザ放射開始までの遅延時間をＤＬ１、前記ＤＬ１の変動をＪ１、副レーザの発振トリガパルスから副レーザ放射開始までの遅延時間をＤＬ２、前記ＤＬ２の変動をＪ２、副レーザに対する主レーザの発振トリガ遅延時間をＴｓとしたときに、副レーザパルス照射開始から主レーザパルス放射開始までの時間Ｔｒは、
ＤＬ１−ＤＬ２−（Ｊ１＋Ｊ２）＋Ｔｓ＜Ｔｒ＜ＤＬ１−ＤＬ２＋（Ｊ１＋Ｊ２）＋Ｔｓ
の不等式を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記主パルスレーザは、前記前駆体半導体薄膜に吸収される波長と、前記前駆体半導体薄膜および前記多結晶半導体薄膜を溶融させ得るエネルギとを有し、前記副パルスレーザは、前記前駆体半導体薄膜とその下の層との少なくとも一方を加熱できる波長を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記主パルスレーザは紫外域から可視域の範囲内の波長を有し、前記副パルスレーザは赤外域から遠赤外域の範囲内の波長を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、前駆体半導体薄膜におけるレーザ光照射による溶融と再結晶によって形成された多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）においては、非晶質または結晶質のシリコン膜が活性層として用いられる場合が多い。この場合に、多結晶または単結晶のような結晶質のシリコン薄膜は、非晶質シリコン薄膜に比較して高い電子移動度を有しているので、多くの長所を発揮し得る。
【０００３】
たとえば、結晶質シリコンＴＦＴを用いる場合には、表示装置の画素部分にスイッチング素子を形成し得るだけでなく、画素周辺部分に駆動回路や周辺回路を形成することもでき、これらの素子や回路を同一基板上に形成することができる。すなわち、別途のドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、それらの表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
また、結晶質シリコン薄膜を用いればＴＦＴの寸法を微細化できるので、画素部分に形成されるスイッチング素子を小さくすることができ、表示装置の高開口率化が図れる。その結果、高輝度で高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００５】
以上のように、結晶質シリコン薄膜を用いたＴＦＴは、非晶質シリコン薄膜を用いたＴＦＴに比べて多くの利点を有している。
【０００６】
ところで、多結晶または単結晶のような結晶質のシリコン薄膜の製造方法としては、レーザ光を用いた再結晶化技術が数多く提案されている。
【０００７】
最も初期に提案された方法は、連続放射されるレーザ光を走査して、基板上の前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させるものであり、一般にはＺＭＲ（Ｚｏｎｅ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）法と称される。近年では、エキシマレーザを用いて６００℃以下の低い基板温で非晶質シリコン薄膜を多結晶化する技術が一般化され、低価格のガラス基板上に形成された多結晶シリコンＴＦＴを含む表示装置が低価格で提供できるようになった。
【０００８】
エキシマレーザによる結晶化技術では、非晶質シリコン薄膜を堆積させたガラス基板を４００℃程度に加熱し、そのガラス基板を一定速度で移動させながら、長さ２００〜４００ｍｍで幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状断面のエキシマレーザ光がガラス基板上の非晶質シリコン薄膜にパルス照射される。この方法によって、非晶質シリコン薄膜の厚さと同程度の平均結晶粒径を有する多結晶シリコン薄膜が形成され得る。
【０００９】
このようにエキシマレーザを用いる再結晶化技術は一般的にＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法と称され、生産性に優れたレーザ結晶化技術として工業的に用いられている。しかしながら、ＥＬＡ法で形成されるシリコン結晶粒は一般的には数１０ｎｍ径で小さく、そのように小粒径の多結晶シリコン薄膜に高性能ＴＦＴを形成することは困難である。
【００１０】
この問題を改善するために、主ビームと副ビームを照射して結晶粒径を大きくすることによって単結晶化領域を拡大する種々の方法が、特許文献１、特許文献２、特許文献３などにおいて提案されている。
【特許文献１】特許第２７０９３７６号公報
【特許文献２】特公昭６４−１２０８８号公報
【特許文献３】特許第３２２１１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１においては、主レーザ（特許文献１の第２光ビーム）および副レーザ（特許文献１の第１光ビーム）の両方にエキシマレーザを用いて、主レーザと副レーザを同時に照射し、かつ副ビーム照射領域内で主ビームを移動させて照射する旨の記載がなされている。
【００１２】
特許文献２においては、主レーザ（特許文献２の第２レーザ）としてルビーレーザを用い、副レーザ（特許文献２の第１レーザ）として炭酸ガスレーザを用いて、主レーザと副レーザを同時に照射し、かつ副ビーム照射中に主ビームを照射する旨の記載がなされている。
【００１３】
特許文献３においては、主レーザ（特許文献３の第２レーザ）としてエキシマレーザまたはＹＡＧレーザなどを用い、副レーザ（特許文献３の第１レーザ）としてＹＡＧレーザまたは炭酸ガスレーザなどを用いて、副レーザの照射完了後の遅延時間τ後に主レーザを照射する旨の記載がなされている。
【００１４】
本発明者らは、特許文献１−３に記載されているように主ビームと副ビームを照射して単結晶化領域を拡大する方法について仔細なる実験を繰返して検討した結果、次の諸点が明らかになった。
（１）  主レーザと副レーザの照射タイミングに依存して単結晶化される面積が大きく異なり、副レーザの照射完了直前に主レーザを照射すれば、単結晶化領域が最大となる。
（２）  前駆体半導体薄膜では、一般に溶融時にレーザ光に対する反射率が極めて高くなり、たとえばシリコンの場合に炭酸ガスレーザに対する非晶質シリコンの反射率が１５％程度であるのに対して、溶融シリコンの反射率は８０％程度になる。
（３）  主レーザを照射する前に副ビームによる予備加熱を行い、さらに主レーザと副レーザを併用して照射することによって、単結晶化領域を飛躍的に拡大させることが可能になる。または、その予備加熱によって副ビームのエネルギ効率を見かけ上高めることができるので、広い面積に拡張した副ビームを照射することが可能になる。
【００１５】
本発明者らによる上記の実験結果（１）−（３）と比較すれば、特許文献１においては、主ビームと副ビームの空間的強度分布と、副ビームの照射領域内で主ビームを移動させながら照射することに主眼が置かれているだけで、主ビームと副ビームを用いたレーザ結晶化方法において最も重要な照射時刻の概念が含まれていない。したがって、特許文献１においては、単結晶化領域の拡大は限定的である。特許文献２においては、副ビームの照射中に主ビームを照射することの記載がなされているものの、前述の反射率の増大による照射効率（吸収率）の低下が考慮されていない。したがって、特許文献２においても、単結晶化領域の拡大は限定的である。特許文献３においては、副ビームの照射完了後に時間をおいて主レーザ光を照射しているので、単結晶化領域の拡大効果が極めて小さい。また、先行技術においては、副レーザのエネルギ効率を考慮して１度のパルス照射で処理できる領域を拡大するというような工業的に極めて重要な観点からの提案がなされていないなどの種々の課題が存在している。
【００１６】
かかる先行技術における現状に鑑み、本発明の主要な目的は、主レーザと副レーザを用いたレーザ結晶化方法において、単結晶化領域を拡大しかつ工業的生産性にも優れた半導体薄膜の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述の課題を解決するために、本発明者らは、基本的には主レーザと副レーザを併用して単結晶化領域を拡大する方法を改善して単結晶化領域をさらに拡大し、かつ生産性に優れた製造方法を見出せばよいとの方針の下で、そのようなレーザ再結晶化工程を見出すべく鋭意研究開発に取組んだ。
【００１８】
その結果、本発明者らは、前駆体半導体薄膜に吸収される主パルスレーザと前駆体半導体薄膜の下の層に吸収される副パルスレーザとを前駆体半導体薄膜に照射して多結晶半導体薄膜を製造するに際して、主レーザ光照射に先立って副パルスレーザを少なくとも１回照射することに加えて、副レーザ光照射完了と略同時に主レーザ光を照射することによって、単結晶領域を拡大できること並びに生産性よく多結晶半導体薄膜を形成できることを見出して本発明を完成させた。
【００１９】
すなわち、本発明の一つの態様によれば、前駆体半導体薄膜に吸収される主パルスレーザと前駆体半導体薄膜の下層に吸収される副パルスレーザを時間的・空間的に重ね合わせて前駆体半導体薄膜に照射して多結晶半導体薄膜を製造する方法であって、主レーザ光照射に先立って副パルスレーザを少なくとも１回照射することを特徴としている。
【００２０】
本発明のもう一つの態様によれば、前駆体半導体薄膜とレーザビームを相対的に移動させながら、主パルスレーザと副パルスレーザを前駆体半導体薄膜に照射して多結晶半導体薄膜を製造する方法であって、主パルスレーザは副パルスレーザが少なくとも１回照射された領域に照射されることを特徴としている。
【００２１】
なお、主パルスレーザは、副パルスレーザの照射完了直前に照射されることが好ましい。すなわち、主パルスレーザと副パルスレーザを重ねて照射する際に、主レーザの発振トリガパルスから主レーザ放射開始までの遅延時間をＤＬ１、そのＤＬ１の変動をＪ１、副レーザの発振トリガパルスから副レーザ放射開始までの遅延時間をＤＬ２、そのＤＬ２の変動をＪ２、副レーザに対する主レーザの発振トリガ遅延時間をＴｓとしたときに、副レーザパルス照射開始から主レーザパルス放射開始までの時間Ｔｒは次式
ＤＬ１−ＤＬ２−（Ｊ１＋Ｊ２）＋Ｔｓ＜Ｔｒ＜ＤＬ１−ＤＬ２＋（Ｊ１＋Ｊ２）＋Ｔｓ
を満たすことが好ましい。
【００２２】
また、主パルスレーザは前駆体半導体薄膜に吸収される波長と前駆体半導体薄膜および多結晶半導体薄膜を溶融させ得るエネルギとを有し、副パルスレーザは前駆体半導体薄膜とその下層との少なくとも一方を加熱できる波長を有することが好ましい。さらに、主パルスレーザは紫外域から可視域までの範囲内の波長を有し、副パルスレーザは赤外域から遠赤外域までの範囲内の波長を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
このような本発明によって、主レーザと副レーザを用いたレーザ結晶化方法において、単結晶化領域を拡大しかつ工業的生産性にも優れた半導体薄膜の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
＜本発明による結晶質半導体薄膜の製造方法の概要＞
図２の模式的断面図に示すように、本発明による半導体薄膜の製造方法では、基板２１上の下地層２２上に堆積された前駆体半導体薄膜２３（以下、これらを合せて「基板複合体」とも称す）に主レーザ光２４と副レーザ光２５を照射することによって、前駆体半導体薄膜２３を溶融させて再結晶化させる。主レーザ光２４は前駆体半導体薄膜２３に吸収される波長を有し、前駆体半導体薄膜２３を溶融させるために用いられる。副レーザ２５は前駆体半導体薄膜２３の下層２２に吸収される波長を有し、前駆体半導体薄膜２３を予備加熱するとともに、前駆半導体薄膜２３の溶融状態から凝固に至るまでの時間を延長させ、形成される多結晶半導体膜の単結晶化領域を拡大させるために用いられる。
【００２５】
図１は、本発明による主レーザパルス１１と副レーザパルス１２の照射様式を説明するタイミングチャートである。本発明においては、主レーザパルスの１回の照射に関して、副レーザパルスは２回以上照射される。図１に示す本発明の一実施形態では、主レーザパルス１１の１回の照射につき副レーザパルス１２を３回照射する一連の工程を有し、その工程を繰り返すことによって所望領域に多結晶半導体薄膜を形成することができる。主レーザの照射は副レーザの照射に同期させて行うが、図１においては、主レーザパルス１１の照射に先立って副レーザパルス１２を２回照射する第一工程と、副レーザパルス１１と主レーザパルス１２を時間的・空間的に重ねて前駆体半導体薄膜２３に照射する第二工程を含む一連の工程を有している。
【００２６】
主レーザパルス１１の照射に先立って副レーザパルス１２を照射することによって前駆体半導体薄膜２３の下層２２が加熱され、間接的に前駆体半導体薄膜２３を予備加熱することになり、形成される多結晶半導体薄膜の単結晶化領域を拡大することが可能になる。また、副レーザパルス１２の照射と主レーザパルス１１の照射を時間的に重ねて行うことで、予備加熱効果をさらに促進することが可能になるとともに、溶融した前駆体半導体薄膜が凝固完了するまでの時間が遅延するので、単結晶化領域をさらに拡大することが可能になる。
【００２７】
本発明者らは、第二工程において主レーザと副レーザの照射タイミングを制御して単結晶化領域を拡大する方法についても仔細に検討した結果、副レーザの照射完了直前の時刻（正確には、副レーザの出力が急激に低下し始める瞬間）に主レーザの出力が最大になるように制御することによって、単結晶化領域を最も拡大できることを見出した。図５のグラフは、副レーザパルスの比強度の時間変化と主レーザ照射時刻による結晶粒径の変化の一例を示している。図５（ａ）では、副レーザ照射終了時刻（６００μｓ）の直前の時刻５００μｓにおいて、副レーザ比強度が急激に減少し始める。この時刻は、レーザ発振器に印加する高電圧をオフにした時刻に相当する。図５（ｂ）では、主レーザ照射時刻が５００μｓの場合において結晶粒径が最大になることがわかる。なお、本実験において、主レーザのパルス幅（半値全幅）は１５ｎｓ程度であり、副レーザのパルス幅に比べて充分に小さいので、副レーザの出力が急激に低下し始める一瞬の間に主レーザパルスの照射が完了すると考えて差し支えない。
【００２８】
次に、一般的なレーザの発振制御方法について説明する。レーザ光の発振時刻、繰返周波数、繰返数などを制御する方法としては、次の２つの方法が一般的に用いられる。
（ａ）  発振トリガパルスによって発振時刻、繰返周波数／繰返数などを制御し、（ピーク）出力とパルス幅は発振器の高圧電源回路の特性や発振器のその他の特性に依存して一意的に決められる方法。
（ｂ）  発振トリガパルスによって発振時刻、繰返周波数／繰返数などを制御することに加えて、（ピーク）出力とパルス幅をも制御する方法（出力とパルス幅の制御は、発振器の高圧電源の電圧と印加時間をトリガパルスで規定することによって達成される）。
【００２９】
図３のグラフはレーザの発振トリガパルス（上段）とレーザパルス強度の時間変化（下段）を図解しており、上記のレーザ発振制御方法（ｂ）の一例を示している。一般的に、レーザの発振は、発振トリガパルスがレーザ発振器の高圧電源回路に入力（時刻ｔ1）されてから一定の遅延時間（ｔ3−ｔ1）を経過後にレーザ出力が立上り開始し（時刻ｔ3）、高電圧印加時間（ｔ2−ｔ1）終了時点で出力の立下り開始（時刻ｔ4）が生じる。なお、高電圧加時間はレーザ立上り開始時からレーザ立下り開始時までであるので、ｔ2−ｔ1＝ｔ4−ｔ3となる。本発明では、高圧電源が印可されている時間をレーザのパルス幅と定義する。
【００３０】
図４のタイミングチャートは、本発明による主レーザと副レーザの照射制御方法を図解している。図４（ａ）は副レーザ発振器に入力する発振トリガパルスを示し、図４（ｂ）は副レーザパルスの時間的強度変化を示し、図４（ｃ）は主レーザ発振器に入力する発振トリガパルスを示し、そして図４（ｄ）は主レーザパルスの時間的強度変化を示している。なお、本実施形態では、主レーザとしてエキシマレーザを用い、副レーザとして炭酸ガスレーザを用いる場合が説明される。
【００３１】
一般に、エキシマレーザは、上述の発振制御方法（ａ）のように「発振トリガパルスによって発振時刻、繰返周波数／繰返数などを制御し、（ピーク）出力とパルス幅は発振器の高圧電源回路の特性や発振器のその他の特性に依存して一意的に決められる方法」によってレーザ発振し、そのパルス幅は５０〜２００ｎｓ程度である。一般に、炭酸ガスレーザは、上述の発振制御方法（ｂ）のように「発振トリガパルスによって発振時刻、繰返周波数／繰返数などを制御することに加えて、（ピーク）出力とパルス幅をも制御する方法」によってレーザ発振し、本実施形態ではパルス幅１μｓの発振から連続発振までが利用される。
【００３２】
前駆体半導体薄膜を溶融させるために工業的に広く使用されているエキシマレーザは、そのピーク強度とパルス幅が充分であり、またその発振波長も紫外域にあるので前駆体半導体薄膜として代表的な非晶質シリコン薄膜に吸収される。これらの理由によって、本発明においても、エキシマレーザが好ましく利用され得る。
【００３３】
前駆体半導体薄膜の下層を加熱するために工業的に広く使用されている炭酸ガスレーザは、遠赤外域の波長を有するので非晶質シリコン薄膜を透過し、その下層を形成する代表的材料である酸化シリコンやガラスなどに吸収される特性を有している。また、本発明者らの実験によれば、単結晶化領域の拡大を効果的に行うための炭酸ガスレーザの照射条件は、レーザのパルス幅を少なくとも数μｓ以上に長くする必要がある。これらの理由によって、本発明においても、炭酸ガスレーザが好ましく利用され得る。
【００３４】
図４の（ａ）から（ｄ）において、次式（１）が成立する。
【００３５】
ＤＬ2＋Ｔｒ＝Ｔｓ＋ＤＬ1＋δτ              （１）
ただし、δτは主レーザパルスが照射開始されてから最大ピーク強度に達するま
でに要する時間とする。この式（１）を変形して、次式（２）が得られる。
【００３６】
Ｔｒ−Ｔｓ＝（ＤＬ1−ＤＬ2）＋δτ          （２）
主レーザのパルス幅が副レーザのパルス幅に比べて充分に小さいときにδτ＝０とみなすことができ（前述のパルス幅の関係からこのように考えることは妥当である）、また前述のように副レーザの照射完了直前の時刻（正確には、副レーザの出力が急激に低下し始める瞬間）に主レーザの出力が最大になるように制御することによって単結晶化領域を最も拡大できるので、これらの条件下で次式（３）が成立する。
【００３７】
Ｔｒ−Ｔｓ＝ＤＬ1−ＤＬ2                      （３）
また、トリガ入力からレーザ立上り開始までに要する時間（ＤＬ１、ＤＬ２）の変動（ジッター（±Ｊ1、±Ｊ2）を考慮すれば、図４（ａ）〜（ｄ）から次式（４）と（５）が得られる。
【００３８】
ＤＬ2＋Ｊ2＋Ｔｒmin＝Ｔｓ＋ＤＬ1−Ｊ1            （４）
ＤＬ2−Ｊ2＋Ｔｒmax＝Ｔｓ＋ＤＬ1＋Ｊ1            （５）
これらの式（４）と（５）を変形して、次式（６）と（７）が得られる。
【００３９】
Ｔｒmin＝（ＤＬ1−ＤＬ2）−（Ｊ1＋Ｊ2）＋Ｔｓ    （６）
Ｔｒmax＝（ＤＬ1−ＤＬ2）＋（Ｊ1＋Ｊ2）＋Ｔｓ    （７）
ここで、Ｔｒmin＜Ｔｒ＜Ｔｒmaxであるから、次の不等式（８）が得られる。
（ＤＬ1−ＤＬ2）−（Ｊ1＋Ｊ2）＋Ｔｓ＜Ｔｒ＜（ＤＬ1−ＤＬ2）＋（Ｊ1＋Ｊ2）＋Ｔｓ                                                                            （８）
すなわち、単結晶化領域を極力大きくするために、この不等式（８）を満たす条件で、主レーザと副レーザの照射タイミングを決定すればよい。
【００４０】
＜前駆体半導体薄膜の詳細＞
図８の模式的斜視図は本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる基板複合体を示し、絶縁性基板８０１としてガラスや石英などを含む材質を好適に用いることができる。また、これらの材質の中でも、安価である点、大面積の絶縁性基板を容易に製造できる点などの理由から、ガラスを用いることが望ましい。なお、基板の厚さが特に限定される理由はないが、薄い場合は、基板が軽量になるという利点の反面で割れやすくなるという欠点を生じる。本実施形態の絶縁性基板には、現在工業的に最も一般的に使用されている０．７ｍｍ厚のガラス基板を利用し得る。
【００４１】
また、基板複合体においては、バッファ層８０２（前述の下地層に対応）が形成されることが好ましい。なぜならば、バッファ層は、レーザ光照射で溶融した前駆体半導体薄膜８０３の熱影響がガラス基板８０１に及ばないように作用し、さらにガラス基板から前駆体半導体薄膜への不純物拡散を防止するように作用し得るからである。バッファ層の材料が特に限定される理由はなく、酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁膜が工業的に好ましく採用されている。バッファ層の膜厚は、成膜時間を極力短くして工業的に効率よく生産するという観点から、基板への熱影響抑制と不純物拡散防止効果を損なわない程度に薄くすることが好ましい。経験的に、１００〜５００ｎｍの厚さが好適である。成膜方法としては、ＣＶＤ（化学気相堆積）法、スパッタリング法、ＰＶＤ（物理気相堆積）法などか採用され得る。これらのなかで最も高速成膜が可能なＣＶＤ法が、工業的に好ましく使用されている。なお、本実施形態においては、ＣＶＤ法により形成された２００ｎｍ厚の酸化シリコン層がバッファ層として用いられ得る。
【００４２】
さらに、基板複合体において、前駆体半導体薄膜８０３の材質は、非晶質半導体または結晶質半導体であれば特に限定されず、任意の半導体材料を用いることができる。前駆体半導体薄膜８０３の材質の具体例としては、水和した非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）をはじめとする非晶質シリコンを含む材質が好ましいが、結晶性に劣る多結晶シリコンを含む材質であってもよく、微結晶シリコンを含む材質であってもよい。さらに、前駆体半導体薄膜の材質は、シリコンのみからなる材質に限られず、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質であってもよい。たとえば、ゲルマニウムを添加することによって前駆体半導体薄膜の禁制帯幅を任意に制御することができる。
【００４３】
さらに、前駆体半導体薄膜の膜厚は薄いほど成膜時間が短くて生産性に優れるが、反面でその半導体薄膜の電気的特性が低下するという欠点が生じる。したがって、前駆体半導体薄膜厚は、所望の電気的特性を満足できる範囲内で極力薄いことが望まれる。その厚さは、経験的には３０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であることが一般的であるが、特にこの範囲に限定されるものではない。本実施形態では、ＣＶＤ法により形成された非晶質シリコンを材質とする５０ｎｍ厚の前駆体半導体薄膜が用いられ得る。
【００４４】
＜半導体薄膜の製造装置の詳細＞
図６は、本発明に好適に用いられる半導体薄膜の製造装置の一例を示すブロック図である。この半導体薄膜の製造装置において、主レーザ発振器６０１は、レーザビームを放出して前駆体半導体薄膜を溶融することが可能であれば特に限定されないが、たとえばエキシマレーザ、またはＹＡＧレーザ（第２および第３高調波）に代表される各種固体レーザなどのように、紫外域レーザ光を放射する発振器であることが望ましい。なぜならば、本実施形態の前駆体半導体薄膜として用いる非晶質シリコン薄膜は、紫外域の光または可視域でも短波長側の光を吸収する特性を有するからである。
【００４５】
可変減衰器６０２は、基板複合体６０７に到達するレーザ光のエネルギ密度を調整する機能を有する。レーザ光路に設けられたビーム整形光学系６０３と均一照明光学系６０４は、主レーザ発振器６０１から出射した主レーザ光を適当な寸法に整形した後、マスク６０５のパターン形成面に均一に主レーザ光を照明する機能を有する。レーザ光路中に設けられたマスク６０５の像は、結像レンズ６０６によって、基板複合体６０７上に所定倍率で結像される。
【００４６】
図６に示す半導体薄膜の製造装置において、結像レンズ６０６の倍率はたとえば１／５とし得る。なお、マスク６０５と均一照明光学系６０４の間にフィールドレンズを設置して、結像系を像側テレセントリック系にすることも可能である。レーザ光路に設けられた複数のミラー６０８はレーザ光を折返すために用いられるが、それらの配置箇所や数量などに制限はなく、装置の光学設計や機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
【００４７】
他方、副レーザ発振器６１１はレーザビームを放出し、前駆体半導体薄膜の下層を加熱することが可能であれば特に限定されないが、たとえば炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザに代表されるように赤外から遠赤外域の波長を有するレーザが望ましい。なぜならば、赤外から遠赤外の光は、本実施形態の前駆体半導体薄膜として用いる非晶質シリコン薄膜を透過し、その非晶質シリコン薄膜の下に形成したバッファ層（酸化シリコン）および基板（ガラス）に吸収されるからである。
【００４８】
ビーム整形光学系６１２は、強度均一化光学系６１３に入射するレーザ光の径を調整するために配置されている。なぜならば、基板複合体６０７に照射されるレーザ光の強度分布を高精度に均一化するためには、入射するレーザ光の寸法を精密に調整する必要があるからである。強度均一化光学系６１３は、基板複合体６０７上に均一な強度分布の副レーザ光を照射する機能を有する。
【００４９】
レーザ光路に設けられた複数のミラー６１４もレーザ光を折返すために用いるが、それらの配置箇所や数量に制限はなく、装置の光学設計や機構設計に応じて適切に配置することが可能である。また、主レーザ光の光路に配置したような可変減衰器を設置することも可能であるが、本実施形態においては副レーザ発振器６１１に出力可変機能を有するものが採用されている。
【００５０】
なお、図６の装置では主レーザ光を基板複合体の鉛直方向から照射して副レーザ光を基板複合体の斜め方向から照射するように構成されているが、図７のブロック図に示すように、ビームスプリッタ７０９で主レーザ光と副レーザ光をカップリングして両方のレーザ光を基板複合体７０７の鉛直方向から照射するように構成することも可能である。ここで、図６の装置と図７の装置との関係において、構成要素７０１−７０８は構成要素６０１−６０８にそれぞれ対応し、構成要素７１１−７１４は構成要素６１１−６１４にそれぞれ対応している。
【００５１】
（実施例１）
従来のＥＬＡ法に本発明を応用した例：
図９（ａ）は、従来のＥＬＡ法に本発明を適用した例を示す模式的平面図である。前述のように、ＥＬＡ法では、基板を一定速度で移動させながら、長さ２００〜４００ｍｍで幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状断面のエキシマレーザが基板上の前駆体半導体薄膜にパルス照射される。前駆体半導体薄膜が全厚にわたって溶融させ得ないエネルギを有するレーザ光を照射すれば、図１０（ｃ）の模式的断面図に示すように、基板１２１上においてバッファ層１２２と前駆体半導体薄膜１２３との境界近傍に無数の結晶核が形成され、再結晶化領域１２４内で矢印の方向に結晶が成長する。
【００５２】
本実施例では、図９（ａ）における主レーザの照射パターン９０１を長さ３００ｍｍで幅０．５ｍｍの長方形とし、副レーザの照射パターン９０２を長さ３００．２ｍｍで幅０．７ｍｍとした。主レーザは副レーザ照射領域に重ねて照射されるが、副レーザ照射領域を主レーザ照射領域よりも大きくしておくことによって、主レーザ照射領域全体にわたって均一な粒径の多結晶を形成することが可能になる。この場合に、図１に示した一連の工程を繰返して前駆体半導体薄膜の所望領域を結晶化するのであるが、その一連の工程毎に図９（ａ）の矢印方向に０．１ｍｍずつ照射領域をステップ移動させながらレーザ照射された。レーザ照射条件は、表１に要約されている。ただし、副レーザ照射から主レーザ照射までの遅延時間は、前述の不等式（８）を満たす条件に設定された。
【００５３】
【表１】
2005353979.tif 000003
【００５４】
本実施例によって得られた多結晶半導体薄膜と従来技術によって得られた多結晶半導体薄膜とにおける結晶粒径の比較が、表２に示されている。表２にはまた、従来技術２と本実施例による方法の生産性の比較に関連して、副レーザの照射可能な面積も示されている。なお、表２において、従来技術１は従来のＥＬＡ法を意味し、従来技術２は従来の主レーザと副レーザを重ねて照射する方法であって特許文献２に記載の技術を意味している。
【００５５】
【表２】
2005353979.tif 000004
【００５６】
表２から明らかなように、従来技術１に比べて、本発明によって単結晶化領域が大幅に拡大される。また、従来技術２と比較しても、本発明では、約８倍の単結晶化領域の拡大効果に加えて、副レーザのエネルギ密度を小さくすることが可能になる。副レーザのエネルギ密度を低減させ得ることは、同じレーザ源の下で副レーザの照射面積を拡大させ得ることを意味し、より効率的な結晶化処理が可能になる。
【００５７】
図１１は、本実施例における別のレーザ照射領域を示す模式的平面図である。図１１に示すように主レーザ３１と副レーザ３２の照射面積と照射位置をあらかじめ定めておけば、基板とレーザ光の相対移動に伴って、主レーザの照射位置３１は副レーザが少なくとも１回照射された位置３２内に照射されることになる。その結果、図１の第一工程（における副レーザの複数回パルス照射）を省略しても、単結晶領域の拡大には同等の効果が認められる。
【００５８】
（実施例２）
従来のスーパーラテラル成長法に本発明を応用した例：
スーパーラテラル成長法は、数μｍオーダの微細幅のスリット状レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、前駆体半導体薄膜を全厚にわたって溶融させて結晶化を行う方法である。図１０（ａ）の模式的断面図に示すように、基板１０１上のバッファ層１０２上に形成された前駆体半導体薄膜１０３を数μｍ長さの領域で全厚にわたって溶融すれば、溶融した前駆体半導体薄膜領域と溶融しない前駆体半導体薄膜領域との境界に無数の結晶核が形成され、結晶化領域１０４内に示す矢印の方向に結晶が成長する。
【００５９】
図９（ｂ）から（ｅ）の模式的平面図は、従来のスーパーラテラル成長法に本発明を適用する場合の主レーザと副レーザの照射パターンを図解している。本実施例では、図９（ｂ）における主レーザの照射パターン９１１を長さ１ｍｍで幅０．０４ｍｍの長方形とし、副レーザの照射パターン９１２を長さ１．２ｍｍで幅０．１４ｍｍの長方形とした。この長方形パターンを３つ等間隔に並べた照射パターンが採用された。実施例１と同様に、本実施例２においても、副レーザの照射領域９１２が主レーザの照射領域９１１よりも大きくされた。主レーザ９１１の照射の度に、図９（ｂ）の矢印方向に０．０１５ｍｍずつ照射領域をステップ移動させながらレーザ照射された。この場合のレーザ照射条件が、表３に要約されている。ただし、この場合にも、副レーザ照射から主レーザ照射までの遅延時間は、前述の不等式（８）を満たす条件に設定された。
【００６０】
【表３】
2005353979.tif 000005
【００６１】
本実施例によって得られた多結晶半導体薄膜と従来技術によって得られた多結晶半導体薄膜とにおける結晶粒径の比較が、表４に示されている。表４にはまた、従来技術４と本実施例とにおける生産性の比較に関連して、副レーザの照射可能な面積も示されている。なお、表４において、従来技術３は従来のスーパーラテラル成長法を意味し、従来技術４は従来の主レーザと副レーザを重ねて照射する方法であって特許文献２に記載の技術を従来のスーパーラテラル成長法に適用した例を意味している。また、表４中において、平均結晶長は、主レーザ１パルスあたりに成長する結晶の長さを表している。
【００６２】
【表４】
2005353979.tif 000006
【００６３】
表４から明らかなように、従来技術に比べて、本発明によって単結晶化領域が大幅に拡大される。さらに、従来技術４と比較しても、約７倍の単結晶化領域の拡大効果が得られる。さらに実施例１と同様に、副レーザのエネルギ密度を小さくすることができ、副レーザの照射面積を拡大できるので、より効率的な結晶化処理が可能になる。
【００６４】
なお、実施例１の場合と同様に、本実施例２においても、図１１に示されているように、基板とレーザ光の相対移動に伴って、副レーザが少なくとも１回照射された領域３１内に主レーザ３１が照射されるように設定することも可能である。また、本実施例２は図９（ｂ）のパターンについて説明されが、図９（ｃ）から（ｅ）の照射パターンについても同様に本発明の効果を得ることが可能である。すなわち、図９（ｃ）から（ｅ）において、参照符号９２１、９３１、９４１、９５１は主レーザ照射領域を表し、参照符号９２２、９３２、９４２、９５２は副レーザ照射領域を表している。
【００６５】
（実施例３）
従来のキャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法に本発明を応用した例：
キャッピング技術とは、図８（ｂ）の模式的斜視図に示すように、基板８１１上のバッファ層８１２上に形成された前駆体半導体薄膜８１３上にキャップ層８１４を設けて結晶化を行う方法である。キャップ層８１４としては、主レーザ光に対して反射防止効果を有する薄膜、たとえば酸化シリコンなどを好適に用いることができる。キャップ層８１４下の領域のみにおいて、前駆体半導体薄膜が選択的に溶融されて結晶化が行われる。
【００６６】
図１０（ｂ）の模式的断面図は、キャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法の概要を図解している。図１０（ｂ）において、基板複合体は、基板１１１、バッファ層１１２、前駆体半導体薄膜１１３、およびキャップ層１１５を含んでいる。キャップ層１１５はレーザ光に対する反射防止効果を有するので、前駆体半導体薄膜１１３は、キャップ層に覆われている領域において、他の領域に比べて大きなレーザエネルギを吸収することができる。したがって、適切なレーザエネルギの設定によって、キャップ層１１５下のみに限定された領域において前駆体半導体薄膜１１３を溶融させて結晶化させ得ることになる。この場合に、実施例２の場合と同様に、前駆体半導体薄膜１１３を数μｍ長さの領域で全厚にわたって溶融すれば、前駆体半導体薄膜の溶融領域と非溶融領域との境界に無数の結晶核が形成され、結晶化領域１１４内に示す矢印の方向に結晶が成長する。
【００６７】
図９（ｆ）の模式的な平面図は、従来のキャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法に本発明を応用する場合の主レーザと副レーザの照射パターンを図解している。本実施例では、主レーザの照射パターン９５１が０．８ｍｍ×１．８ｍｍの長方形にされ、副レーザの照射パターンが１．０ｍｍ×２．０ｍｍの長方形にされる。実施例１および２の場合と同様に、本実施例３においても、副レーザの照射領域９５２が主レーザの照射領域９５１よりも大きくされた。主レーザの照射の度に、その照射領域が重ならないように照射領域がステップ移動させられた。レーザ照射条件は、表５に要約されれいる。ただし、この場合にも、副レーザ照射から主レーザ照射までの遅延時間は、前述の不等式（８）を満たす条件に設定された。
【００６８】
【表５】
2005353979.tif 000007
【００６９】
本発明によって得られた多結晶半導体薄膜と従来技術によって得られた多結晶半導体薄膜とにおける結晶粒径の比較が、表６に示されている。表６にはまた、従来技術６と本発明における生産性の比較に関連して、副レーザの照射可能な面積も示されている。なお、表６において、従来技術５は従来のキャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法を意味し、従来技術６は従来の主レーザと副レーザを重ねて照射する方法によるものであって特許文献２に記載の技術が従来のキャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法に適用された例である。
【００７０】
【表６】
2005353979.tif 000008
【００７１】
表６から明らかなように、従来技術に比べて、本発明によって単結晶化領域が大幅に拡大され得ることがわかる。また、従来技術６と比較しても、本発明では約４倍の単結晶化領域の拡大効果が得られている。さらに、実施例１および２の場合と同様に、本実施例３においても、副レーザのエネルギ密度を小さくすることができて、副レーザの照射面積を拡大できるので、より効率的な結晶化処理が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、従来技術に比べて、レーザを用いた再結晶化領域を拡大することが可能になり、種々の大きさの薄膜半導体装置を製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明による主レーザパルスと副レーザパルスの照射様式を図解するタイミングチャートである。
【図２】主レーザと副レーザの照射による多結晶半導体薄膜の製造方法を図解する模式的断面図である。
【図３】レーザの発振トリガパルスとレーザパルス強度の時間変化を示すグラフである。
【図４】本発明による主レーザと副レーザの照射制御方法を図解するタイミングチャートである。
【図５】副レーザパルスの比強度の時間変化と主レーザ照射時刻に依存する結晶粒径の変化とを示すグラフである。
【図６】本発明に好適に用いられ得る半導体薄膜の製造装置の一例を示すブロック図である。
【図７】本発明に好適に用いられる半導体薄膜の製造装置の他の例を示すブロック図である。
【図８】本発明に好適に用いられる基板複合体示す模式的斜視図である。
【図９】本発明の種々の実施例におけるレーザ照射パターンを示す模式的平面図である。
【図１０】前駆体半導体薄膜の溶融領域において凝固再結晶が成長する方向を図解する模式的断面図である。
【図１１】本発明の実施例における他のレーザ照射パターンを示す模式的平面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１１  主レーザパルス、１２  副レーザパルス、２１  絶縁性基板、２２  バッファ層、２３  前駆体半導体薄膜、２４  主レーザ光、２５  副レーザ光、６０１、７０１  主レーザ発振器、６０２、７０２  可変減衰器、６０３、６１２、７０３、７１２  ビーム整形光学系、６０４、７０４  均一照明光学系、６０５、７０５  マスク、６０６、７０６  結像レンズ、６０７、７０７  基板複合体、６０８、７０８  ミラー、６１１、７１１  副レーザ発振器、６１３、７１３  強度均一化光学系、６１４、７１４  ミラー、７０９  ビームスプリッタ、８０１、８１１  絶縁性基板、８０２、８１２  バッファ層、８０３、８１３  前駆体半導体薄膜、８１４  キャップ層、９０１、９１１、９２１、９３１、９４１、９５１  主レーザ照射パターン、９０２、９１２、９２２、９３２、９４２、９５２  副レーザ照射パターン、１０１、１１１、１２１  絶縁性基板、１０２、１１２、１２２  バッファ層、１０３、１１３、１２３  前駆体半導体薄膜、１０４、１１４、１２４  結晶化領域、１１５  キャップ層。
【図１】
2005353979.tif 000009
【図２】
2005353979.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005353979.tif 000016
【図９】
2005353979.tif 000017
【図１０】
2005353979.tif 000018
【図１１】
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